JP2004039983A - 半導体発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体発光装置における発光素子上面からの光取り出し効率が高く、また装置の薄型化が可能であって、しかもボンディング部分の機械的強度が高く、高い生産性と歩留まりが得られるようにする。さらには安定して高い導電性が得られるようにする。
【解決手段】同一面側に一対の電極１１，１１’が形成された半導体発光素子１と、配線電極２１，２１’が形成された基板２と有し、一対の電極１１，１１’と配線電極２１，２１’との間に、導電性球状体３２を熱硬化性樹脂３１に分散混合した異方導電性接着剤３を介在させて半導体発光素子１を基板２に実装する。そして半導体発光素子１に対向する配線電極２１，２１’の表面に凹部２２，２２’を形成し、一対の電極１１，１１’と配線電極２１，２１’との間に導電性球状体３２を安定して存在させる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光装置に関し、より詳細には異方導電性接着剤で半導体発光素子（以下、「発光素子」と記すことがある）を基板にフリップチップボンディングした半導体発光装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば青色や緑色の発光ダイオード（ＬＥＤ）素子（発光素子）は、同一面側に正負一対の電極が設けられた構造を有するものがある。このため図５に示すように、ＬＥＤ素子１を基板２に実装する場合には、ＬＥＤ素子１を銀ペーストなどの接着剤（不図示）で基板２に固着した後、ＬＥＤ素子１上面に形成された一対の電極１２，１２’と基板２に形成された配線電極２１，２１’とをボンディングワイヤＷ、Ｗ’で接続していた。この半導体発光装置では、ＬＥＤ素子１の発光層（活性層）から上方に出た光はＬＥＤ素子１の上面から外部に出射する一方、ＬＥＤ素子１の発光層から下方に出た光はＬＥＤ素子下面の銀ペーストで拡散反射し、その一部は上向きに反射してＬＥＤ素子上面から出射する。
【０００３】
このような従来の半導体発光装置では、ＬＥＤ素子１の上面に電流拡散膜１３や電極１２，１２’が形成されているため、これらが障害となって光の取り出し効率が悪かった。また、ボンディングワイヤＷ、Ｗ’の曲げに最低限の曲率が必要であることから装置の薄型化が困難であった。
【０００４】
そこで、図６に示すように、配線電極２１，２１’にバンプＢ、Ｂ’を設け、このバンプＢ、Ｂ’を介してＬＥＤ素子１を基板２の配線電極２１，２１’にフリップチップボンディングすることも行われている。このような構造によれば、光出射面であるＬＥＤ素子１の上面に光を遮るものがないので光取り出し効率は向上し、またボンディングワイヤを用いないので装置の薄型化も可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バンプを用いたフリップチップボンディングでは、ボンディング部分の機械強度が弱く信頼性に乏しい。また各発光素子の電極又は基板上の配線電極の所定位置に精度よくバンプをそれぞれ形成する必要があるため、装置の生産性が悪く、また歩留まりも悪かった。さらには、バンプの厚みのため薄型化に不利であった。
【０００６】
本発明はこのような従来の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光素子上面からの光取り出し効率が高く、また装置の薄型化が可能であって、しかもボンディング部分の機械的強度が高く、また発光素子の実装位置の裕度が大きく、高い生産性と歩留まりが得られる半導体発光装置を提供することにある。
【０００７】
また本発明の目的は、安定して高い導電性が得られる半導体発光装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、同一面側に一対の電極が形成された半導体発光素子と、配線電極が形成された基板と有し、前記一対の電極と前記配線電極との間に、導電性球状体を熱硬化性樹脂に分散混合した異方導電性接着剤を介在させて前記半導体発光素子を前記基板に実装した半導体発光装置であって、前記半導体発光素子に対向する前記配線電極の表面に凹部を形成し、前記一対の電極と前記配線電極との間に前記導電性球状体を安定して存在させたことを特徴とする半導体発光装置が提供される。
【０００９】
ここで一対の電極と配線電極との間に導電性球状体を充分に存在させ、より良好な導電性を得る観点から、配線電極の表面に形成する凹部の深さを、導電性球状体の直径よりも浅くするのが好ましい。
【００１０】
また本発明によれば、同一面側に一対の電極が形成された半導体発光素子と、配線電極が形成された基板と有し、前記一対の電極と前記配線電極との間に、導電性球状体を熱硬化性樹脂に分散混合した異方導電性接着剤を介在させて前記半導体発光素子を前記基板に実装した半導体発光装置であって、前記半導体発光素子に対向する前記配線電極の領域における、前記配線電極に直接接触している前記導電性球状体の面積の合計割合を１０〜６０％の範囲としたことを特徴とする半導体発光装置が提供される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者は、発光素子上面からの光取り出し効率および装置の薄型化を考慮してフリップチップボンディングを用いることを前提として、従来問題であった機械的強度や生産性を改善すべく鋭意検討を重ねた結果、異方導電性接着剤を用いて発光素子を基板に実装することにより実用上問題のない水準の機械強度が得られ、また高い生産性と歩留まりが得られること、さらには配線電極に凹部を設けることにより、異方導電性接着剤に押圧力が加わったときに導電性球状体が配線電極上からこぼれ落ちるのを有効に防止でき、良好な導電性が確保されることを見出し、第１の発明をなすに至った。
【００１２】
以下、図に基づいて第１の発明に係る半導体発光装置について説明する。図１は、第１の発明に係る半導体発光装置の一例を示す断面図である。同図（ａ）において、ＬＥＤ素子（発光素子）１の下側面には一対の電極１１，１１’が形成されている。そして、電極１１，１１’間でのショートを防止するために、電極１１，１１’の周縁には厚さ５０〜３００ÅのＳｉＯ２やＳｉＮからなる保護膜１４が形成されている。一方、基板２上には配線電極２１，２１’が形成されている。前記一対の電極１１，１１’に対向する配線電極２１，２１’の部分には凹部２２，２２’が形成されいる。そして配線電極２１，２１’の一帯にはペースト状の異方導電性接着剤３が塗布されている。次にＬＥＤ素子１を下降させて、異方導電性接着剤３を介してＬＥＤ素子１を基板２上に載置する。この状態では一対の電極１１，１１’と配線電極２１，２１’との間は絶縁状態である。
【００１３】
そして、同図（ｂ）に示すように、所定圧力でＬＥＤ素子１を基板２の方向に押圧する。すると、ＬＥＤ素子下面の電極１１，１１’と配線電極２１，２１’との間に最大圧力が加わるため、その間に存在する異方導電性接着剤３中の導電性球状体３２が互いに接触するようになり、一対の電極１１，１１’と配線電極２１，２１’とが導通可能状態となる。一方、それ以外の部分では導電性球状体３２同士は接触しないので絶縁状態のままとなる。ここで、ＬＥＤ素子１が押圧されたとき、ＬＥＤ素子１に対向する配線電極２１，２１’の表面に形成された凹部２２，２２’により、配線電極２１，２１’と一対の電極１１，１１’との間から前記接着剤３中の導電性球状体３２が逃避するのが抑えられ、前記両電極間に存在する導電性球状体３２の数が維持されるので、圧力が加わった時の導電性球状体３２同士の接触が多くなり、結果として両電極間に良好な導通が確保できる。そして熱硬化性樹脂３１を加熱硬化してこの状態を固定化する。
【００１４】
凹部２２を形成する配線電極２１上の位置としては、ＬＥＤ素子１の対向位置であれば特に限定はないが、好ましくは一対の電極１１，１１’の対向位置である。したがって、配線電極２１上の凹部２２の形成位置は、配線電極２１の配線形状及びＬＥＤ素子１の一対の電極の形状２１によって種々に変わる。図２に、破線で示したＬＥＤ素子１の底面形状および一対の電極１１，１１’に対する、配線電極２１，２１’および凹部２２，２２’の平面形状の例を示す。もちろん、凹部の数に限定はなく、１つの配線電極上に２以上の凹部を設けても構わない。
【００１５】
また凹部の深さとしては特に限定はないが、深すぎると押圧力がかかったときに電極間に充分な圧力が加わらず、導電性球状体同士の充分な接触が得られないおそれがある。そこで、図３に示すように、凹部２２の深さｄは導電性球状体３２の直径Ｄよりも浅くするのが好ましい。一方、凹部２２の深さｄが浅すぎると、押圧力がかかったときに導電性球状体３２が電極２１上から逃避するおそれがあるので、凹部２２の深さｄは導電性球状体３２の直径の１／１０よりも深くするのがよい。また、凹部２１の断面形状としては特に限定はなく、例えば長方形状やすり鉢状、球状など従来公知の形状が挙げられるが、押圧力がかかった時に導電性球状体３２の逃避を阻止する働きや加工容易性の観点からは長方形状が望ましい。
【００１６】
本発明で使用する、導電性球状体を熱硬化性樹脂に分散混合した異方導電性接着剤としては従来公知のものが挙げられる。導電性球状体としては、例えば球状樹脂の周りにＮｉ，ＡｕメッキをしたものやＡｇ粒子などが例示される。粒径としては３〜１０μｍの範囲が好ましい。一方、熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂やシリコン樹脂、アクリル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが挙げられる。この中でも、強度や耐熱性などの観点からエポキシ樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂中への導電性球状体の分散混合量は１〜２０重量％程度が好ましい。
【００１７】
ＬＥＤ素子に加える押圧力は、使用する異方導電性接着剤の種類や量から適宜決定すればよいが、通常は１〜５０ｋｇ／ｍｍ２程度である。また熱硬化性樹脂の熱硬化条件は、加熱温度：１００〜３００℃の範囲、加熱時間：１０〜１２０ｓｅｃの範囲である。
【００１８】
また、異方導電性接着剤はペースト状であってもよいし、シート状であってもよい。シート状の接着剤を用いる場合、ＬＥＤ素子程度の小さなのものを用いることも可能ではあるが、このようなシート状接着剤を基板の所定位置に精度よく配置するには時間と労力がかかるので、後述するように通常は、基板のほぼ全面を覆う大きさのものが基板に取り付けられる。このため、発光素子から出射された光がシート状の異方導電性接着剤に吸収されてしまい光取り出し効率が悪くなる。したがって、異方導電性接着剤としてはペースト状のものを用い、基板上の必要な部分にのみ塗布するのが望ましい。
【００１９】
本発明で使用する発光素子としては同一面側に一対の電極が形成されたものであれば特に限定はなく、例えばサファイア基板を用いる青色ＬＥＤ素子や緑色ＬＥＤ素子などが挙げられる。
【００２０】
本発明の半導体発光素子は従来公知の製造方法で製造できる。例えばペースト状の異方導電性接着剤を用いる場合には、複数の配線電極が形成された基板の発光素子の載置部分に前記接着剤をピンやディスペンサで塗布した後、接着剤上に発光素子をそれぞれ載置する。そして、前記例示した押圧条件で発光素子を押圧して、発光素子の電極と基板の配線電極との間の導通可能とすると同時に、接着剤を加熱硬化させる。次に、半導体発光素子を透光性樹脂で封止した後、基板を切断してそれぞれ半導体発光装置とする。一方、シート状の異方導電性接着剤を用いる場合には、前記基板の表面を覆うように一枚のシート状接着剤を貼り付け、所定位置に発光素子をそれぞれ載置する。そして発光素子を押圧して電極間を導通とする同時に、接着剤を加熱硬化させる。次に、半導体発光素子を透光性樹脂で封止した後、基板を切断して各半導体発光装置とする。
【００２１】
次に、第２の発明に係る半導体発光装置について説明する。この発明の大きな特徴は、半導体発光素子に対向する配線電極の領域における、前記配線電極に直接接触している導電性球状体の面積の合計割合を１０〜６０％の範囲としたことにある。以下、図に基づいて本発明の半導体発光装置について説明する。
【００２２】
図４は、本発明の半導体発光装置の平面図である。この図において、破線は発光素子１の接着面及び一対の電極１１，１１’の外形を示している。そして配線電極２１，２１’の斜線部分は、発光素子１に対向する配線電極部分を、また斜線部分中の白マルは配線電極２１，２１’に直接接触している導電性球状体３２の接触面積をそれぞれ示す。ここで、斜線部分の面積に対して、導電性球状体３２の接触面積（白マル）の合計割合を１０〜６０％の範囲とすることが重要である。前記接触面積の合計割合が１０％未満であると、発光素子１の電極１１，１１’と配線電極２１，２１’との間の導通が充分に確保できないおそれがあり、他方、接触面積の合計割合が６０％を超えると、前記電極間の導通は確保できるものの配線電極２１，２１’に対する接着強度が弱くなり、異方導電性接着剤３が配線電極２１，２１’の表面から剥離するおそれがあるからである。より好ましい接触面積の合計割合は２０〜４０％の範囲である。
【００２３】
前記接触面積の合計割合を前記範囲とするには、例えば異方導電性接着剤３に含まれる導電性球状体３２の粒径およびその分散混合量、発光素子１に対する押圧力を調整する、あるいは第１の発明で説明したような配線電極２１に凹部２２を設けることにより調整すればよい。
【００２４】
なお、導電性球状体３２の接触面積は、完成した半導体発光装置を配線電極表面を境界として分断し、硬化している異方導電性接着剤３の配線電極側表面に露出している導電性球状体３２の面積をＳＥＭを用いて測定したものである。
【００２５】
本発明で使用できる発光素子および異方導電性接着剤としては、前記例示したものがここでも例示される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の半導体発光装置では、半導体発光素子の同一面側に形成された一対の電極と、基板に形成された配線電極との間に異方導電性接着剤を介在させるとともに、半導体発光素子に対向する配線電極の表面に凹部を形成し、前記一対の電極と前記配線電極との間に異方導電性接着剤中の導電性球状体を安定して存在させるようにしたので、ボンディング部分の機械的強度が高く、高い生産性と歩留まりが得られると同時に、安定した導電性が得られる。
【００２７】
また配線電極の表面に形成する凹部の深さを導電性球状体の直径よりも浅くすると、電極間に導電性球状体をより安定して存在させることができる。
【００２８】
またもう一つの発明に係る半導体発光装置では、半導体発光素子の同一面側に形成された一対の電極と、基板に形成された配線電極との間に異方導電性接着剤を介在させるとともに、半導体発光素子に対向する配線電極の領域における、配線電極に直接接触している導電性球状体の面積の合計割合を１０〜６０％の範囲としたので、高い生産性と歩留まりが得られると同時に、配線基板と接着剤との間の接着強度が高く、しかも安定した導電性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の発明に係る半導体発光装置の一例を示す断面図である。
【図２】配線電極に形成する凹部の例を示す平面図である。
【図３】配線電極に形成する凹部の一例を示す断面図である。
【図４】第２の発明に係る半導体発光装置の一例を示す平面図である。
【図５】従来の半導体発光装置の一例を示す斜視図である。
【図６】従来の半導体発光装置の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１　ＬＥＤ素子（半導体発光素子）
２　基板
３　異方導電性接着剤
Ｗ　ボンディングワイヤ
１１、１１’　電極
１２，１２’　電極
１３　電流拡散膜
１４　保護膜
２１，２１’　配線電極
２２，２２’　凹部
３１　熱硬化性樹脂
３２　導電性球状体

Claims (3)

  1. 同一面側に一対の電極が形成された半導体発光素子と、配線電極が形成された基板と有し、前記一対の電極と前記配線電極との間に、導電性球状体を熱硬化性樹脂に分散混合した異方導電性接着剤を介在させて前記半導体発光素子を前記基板に実装した半導体発光装置であって、
    前記半導体発光素子に対向する前記配線電極の表面に凹部を形成し、前記一対の電極と前記配線電極との間に前記導電性球状体を安定して存在させたことを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記配線電極の表面に形成する凹部の深さを、前記導電性球状体の直径よりも浅くした請求項１記載の半導体発光装置。
  3. 同一面側に一対の電極が形成された半導体発光素子と、配線電極が形成された基板と有し、前記一対の電極と前記配線電極との間に、導電性球状体を熱硬化性樹脂に分散混合した異方導電性接着剤を介在させて前記半導体発光素子を前記基板に実装した半導体発光装置であって、
    前記半導体発光素子に対向する前記配線電極の領域における、前記配線電極に直接接触している前記導電性球状体の面積の合計割合を１０〜６０％の範囲としたことを特徴とする半導体発光装置。
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